利用反射太赫兹辐射计算材料属性的制造方法与工艺

利用反射太赫兹辐射计算材料属性1.技术领域本发明通常涉及用于使用太赫兹辐射计算材料属性的系统和方法。2.

背景技术：
反射时域太赫兹(“TD-THz”)发射器可以将脉冲的太赫兹(“THz”)束投射到待测量的电介质材料(有时称为样本)中。所述材料可以是纸、涂料涂覆的纸、塑料片、无纺材料(纤维、布)、挤压绝缘体、泡沫、粘合剂以及类似材料。然而，THZ辐射的反射将基于样本的位置受到影响的事实会使对这些待测量的电介质材料的材料属性的测量变得复杂。如果不能确定样本的位置，那么材料属性的测量将受到不利影响。

技术实现要素：
用于解译太赫兹辐射的系统包括配置为输出太赫兹辐射的脉冲的太赫兹发射器以及配置为从太赫兹发射器接收辐射脉冲的至少一部分的太赫兹接收器。太赫兹接收器配置为基于由太赫兹接收器接收的辐射输出信号。系统还包括向来自太赫兹接收器的太赫兹辐射的脉冲提供光学干涉的第一光学界面。第一光学界面将把第一光学界面反射的太赫兹辐射脉冲的部分反射至太赫兹接收器。系统还包括向太赫兹辐射脉冲提供光学干涉的第二光学界面。第二光学界面将把第二光学界面反射的太赫兹辐射脉冲的部分反射至太赫兹接收器。在第一光学界面与第二光学界面之间限定间距。间距被配置为接收要由太赫兹辐射脉冲的至少一部分辐射的样本。样本将把第一样本反射的太赫兹辐射脉冲的部分反射至太赫兹接收器以及将把第二样本反射的太赫兹辐射脉冲的部分反射至太赫兹接收器。通常，太赫兹发射器和太赫兹接收器在壳体中基本上设置为彼此邻近。处理器可以与太赫兹接收器通信并且配置为从太赫兹接收器接收信号。于是，处理过程被配置为基于信号确定样本的卡标厚度、密度、折射率或者质量。系统还可以包括机架，其中壳体耦接至机架，该机架配置为跨越样本移动壳体。第一光学界面可以安装至壳体，或者可以位于太赫兹发射器与样本之间。第二光学界面可以安装至机架或者可以仅仅与第一光学界面相对地安装。系统还可以包括与处理器通信的位置传感器。位置传感器被配置为确定第一光学界面与第二界面之间的空间的距离并且将距离信号输出至处理器。位置传感器可以是温度传感器或者可以是涡流传感器。在参照附加于本说明书并且构成本说明书的一部分的附图和权利要求阅读下列描述之后，本发明另外的目的、特性和优点对本领域技术人员而言将变得更加显而易见。附图说明图1图示了基于传统时域的太赫兹系统的框图；图2图示了在一幅片材之上的安装在机架上的图1的系统；图3图示了被测试材料的横截面，其中没有第二光学界面(有时称为外部参考结构)；图4是被测试材料的横截面，其中具有第二光学界面；图5图示了具有在被测试材料上方和下方的横跨机架宽度的光学界面的系统；图6图示了具有并入壳体的第一光学界面和在被测试材料下方横跨机架宽度的第二光学界面的系统；图7图示了并入系统壳体的第一光学界面和在被测试材料下方安装在同步运动机架上的第二光学界面；图8图示了一种系统，其具有在被测试材料上方和下方的横跨机架宽度的光学界面，和安装在第一光学界面或者机架框架上的距离传感器，用以测量第一光学界面与第二光学界面之间的距离；图9图示了具有在被测试材料上方和下方的横跨机架宽度的光学界面的使用安装在壳体中的位置传感器的系统；图10图示了具有并入系统壳体的第一光学界面和距离传感器以及在被测试材料下方横跨机架宽度的第二光学界面的系统；图11图示了具有并入壳体的第一光学界面和位置传感器以及在被测试材料下方安装在同步运动机架上的第二光学界面的系统；图12图示了利用安装在第一光学界面或者机架上的温度传感器的系统；以及图13图示了具有第一端口和第二端口的系统。具体实施方式参照图1，示出了用于解译太赫兹辐射的系统10。作为其主要组件，该系统包括具有包括在其内的太赫兹发射器14和太赫兹接收器16的壳体12。系统10还包括太赫兹控制单元18(诸如光学激光源)和计算机系统20。光学激光源18可以通过脐带管13和15耦接至太赫兹接收器16和/或太赫兹发射器14。脐带管13和15可以是0-100米长。当TD-THz传感器安装于在幅材之上扫描的运动控制机架上时，可以将柔性光纤/电的脐带管13和15放在柔性电缆托盘(“蛇形物”)中。脐带管13和15将激光源18光学地耦接至太赫兹接收器16和/或太赫兹发射器14。计算机系统20可以直接或者间接地耦接至太赫兹接收器16，以接收来自太赫兹接收器16的信号。然后，计算机系统20可以解译来自太赫兹接收器16的信号以解译由太赫兹接收器16接收的辐射。系统10还可以包括各种独立的传感器22和24。这些传感器22和24可以包括定位传感器和/或温度传感器。系统10还可以包括控制材料生产的反馈控制单元26，并且还可以包括用于控制机架的运动控制28，所述机架将跨越样本或者被测试材料30移动壳体12以便可以进行测量。尽管样本30可以是任何类型的样本，但是通常是具有多个层的样本，诸如纸或者其它类型的网状(webbing)材料。壳体12还可以包括束分离装置32，诸如分束立方体。束分离装置32将来自太赫兹发射器14的太赫兹辐射34引导朝向样本30。以类似的方式，束分离装置32将来自样本的、最初从太赫兹发射器14发射的辐射36引导至太赫兹接收器16。另外，透镜38可以用于聚焦通常通过第一端口40发送至样本30或者从样本30发送的太赫兹辐射。参照图2，示出了系统210的更详细说明。在该实施例中，除了将数字“2”放置在这些元件的前面以外，相同的参考数字用于指代相同的元件。将不再次给出这些元件的描述。在该实施例中，机架250位于样本230上方。在这里，壳体212安装至机架250，使得壳体如箭头252所指示地沿样本30的长度移动。太赫兹接收器216和/或太赫兹发射器214可以是单静态(monostatic)配置或者共线配置。在该配置中，投射到被测材料30的脉冲的THz束和来自被测材料30内的界面(以及来自一个或者多个外部参考结构界面(如果存在的话))的反射遵循相同路径。由于该配置消除视差效应并且最大化来自样本的反射功率，因此通常优选该配置。当被测材料相对于THz传感器上下移动时，该共线配置尤其重要。作为可选方案，可以使用投射-接收(pitch-catch)布置，尤其对于不上下移动的非常薄的材料。太赫兹接收器216和/或太赫兹发射器214被示出为具有聚焦和收集探测被测材料230的THz束的物镜。物镜可以是透镜238、曲面反射镜或者组合。物镜可以具有固定焦距，可以是可互换的，或者可以是变焦距透镜。可以使用单个元件，或者可以使用多个元件。一些配置可以不需要物镜。围绕太赫兹接收器216和/或太赫兹发射器214的虚线是保护传感器免受因素(湿气、灰尘)和机械影响的标称壳体212。传感器可以，或者可以不，封装在这种壳体中。太赫兹接收器216和/或太赫兹发射器214被示出有安装在远程的可自由定位的头中的发射器和接收器天线，用柔性光纤/电脐带管将该远程的可自由定位的头连接至控制单元。由于可以通过将激光器、电源、光学延迟扫描仪、计算机和/或其它电子设备放置在TD-THz控制单元中，将传感器头制作得尽可能小且耐震(rugged)，因此这是优选实施例。可以远离扫描区安全地安装控制单元。其可以放置在环境受控的机柜中。可以采用替代的太赫兹接收器216和/或太赫兹发射器214。如可行时，可以使TD-THz控制单元中的系统中的一些或者全部微型化并完全放置在TD-THz传感器头中。这种一体化配置可以不必采用光纤器件。太赫兹发射器和接收器可以在独立的底座上或者机械地共同定位。太赫兹接收器216和/或太赫兹发射器214可以共享相同的激光器、电子器件、和/或与发射器和/或接收器共同定位(以一体化方式)的其它支撑子系统；或者，激光器、电子器件和/或其它支撑子系统可以远离发射器和/或接收器设置(通过电和/或光纤线缆连接)。代替使用由飞秒激光器生成的单个脉冲，太赫兹接收器216和/或太赫兹发射器214可以根据由宽带源触发的互相关噪声脉冲的原理工作。可以采用生成THzEM的任何方法。太赫兹接收器216可以在频域操作而不是时域。如果太赫兹接收器216在频域中操作，那么发射器也可以在频域中操作。太赫兹发射器214和接收器216必须具有足够宽的带宽以实现测量样本的层厚度的期望分辨率。太赫兹发射器214可以是脉冲的或者不是脉冲的，只要太赫兹发射器214具有足够带宽即可。太赫兹发射器214发出宽带太赫兹束，其从样本的一个或者多个层界面以及任何外部参考结构界面反射。频域太赫兹接收器214根据频率幅度和/或相位记录反射。然后，可以通过使用数学变换(诸如傅里叶变换)将所记录的频域数据变换成时域。变换成时域的该数据现在将以与在时域中原生地收集的数据相同或者类似的方式表示样本内的界面和外部参考界面的飞行时间(time-of-flight)；以及可以以与原生的时域数据相同的方式使用补偿方法计算样本230的材料属性。替代地，可以直接根据频域幅度和/或相位对材料属性进行计算。与以一个或者多个特定飞行时间分隔的反射界面相对应的时域中的两个或更多个峰由以频域中的一个或者多个特定频率间距间隔的损耗峰和/或发射峰表示。这些频域间距可以用于根据所述补偿方案中的一个或者多个使用已知外部参考界面间距计算相同的材料属性。替代的频域方法包括频率调制连续波方法(FMCW)。参照图3和4，这些图图示了当太赫兹辐射束与样本30接触时，太赫兹辐射束会发生什么。太赫兹辐射束34被样本30的每个层的每个表面反射。然后，太赫兹辐射的这些反射部分被发送回图1的太赫兹接收器16。图4图示了具有第一光学界面42和第二光学界面44的系统。第一光学界面42可以是部分透射的，而第二光学界面44可以是完全反射的，诸如反射镜。在该情况下，辐射34不仅被样本30的每个层反射，而且被第一光学界面42和第二光学界面44反射。太赫兹束34的这些反射部分形成反射的太赫兹辐射36，该反射的太赫兹辐射36被发送回图1的太赫兹接收器16。样本30将具有至少2个反射界面(顶部外表面和底部外表面)，并且可以，...